KR20200014639A - 복수의 열 블록을 구비한 핵산 증폭 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따라, 핵산 증폭 장치가 제공된다. 상기 장치는, 이격 배치되는 복수의 열 블록; 샘플 용액이 주입되는 유입부; 상기 샘플 용액의 PCR 반응이 수행되는 반응 챔버; 및 상기 샘플 용액이 배출되는 유출부를 포함하고, 상기 복수의 열 블록과 순차적으로 접촉하면서 내부에 상기 샘플 용액의 PCR 반응이 수행되는 PCR 칩; 상기 PCR 칩이 장착되고, 상기 PCR 칩이 상기 복수의 열 블록과 순차적으로 접촉하도록 상기 PCR 칩을 이동시키는 칩 홀더; 및 상기 칩 홀더를 이동시키고, 상기 칩 홀더의 이동 방향을 가이드하는 구동부를 포함할 수 있다.

Description

복수의 열 블록을 구비한 핵산 증폭 장치{DEVICE FOR AMPLIFYING NUCLEIC ACID COMPRISNG A PLURALITY OF HEATING BLOCKS}
본 발명은 복수의 열 블록을 구비한 핵산 증폭 장치에 관한 것으로서, 열 블록 사이에서의 PCR 칩의 이동성을 개선한 핵산 증폭 장치에 관한 것이다.
중합효소 연쇄 반응, 즉 PCR(Polymerase Chain Reaction)은 핵산을 포함하는 샘플 용액을 반복적으로 가열 및 냉각하여 상기 핵산의 특정 염기 서열을 갖는 부위를 연쇄적으로 복제하여 그 특정 염기 서열 부위를 갖는 핵산을 기하급수적으로 증폭하는 기술로써, 생명과학, 유전공학 및 의료 분야 등에서 분석 및 진단 목적으로 널리 사용되고 있다.
최근 상기 PCR을 수행하기 위한 PCR 장치가 다양하게 개발되고 있다. 일 예에 의한 PCR 장치는 하나의 반응 챔버에 핵산을 포함하는 샘플 용액을 포함하는 용기를 장착하고, 상기 용기를 반복적으로 가열 및 냉각하여 PCR 반응을 수행한다. 그러나 상기 일 예에 의한 PCR 장치는 하나의 반응 챔버를 구비하기 때문에 전체 구조가 복잡하진 않지만, 정확한 온도 제어를 위한 복잡한 회로를 구비해야 하고, 하나의 반응 챔버에 대한 반복적인 가열 및 냉각으로 인해 전체 PCR 반응의 전체 시간이 길어질 수밖에 없다. 또한, 다른 일 예에 의한 PCR 장치는 PCR 반응을 위한 온도를 갖는 복수 개의 반응 챔버를 장착하고, 이들 반응 챔버를 통과하는 하나의 채널을 통해 핵산을 포함하는 샘플 용액을 흐르게 하여 PCR 반응을 수행한다. 그러나 상기 다른 일 예에 의한 PCR 장치는 복수 개의 반응 챔버를 이용하기 때문에 정확한 온도 제어를 위한 복잡한 회로가 요구되진 않지만, 고온 및 저온의 반응 챔버를 통과하기 위한 긴 유로가 반드시 필요하므로 전체 구조가 복잡할 수밖에 없고, 상기 반응 챔버를 통과하는 채널에 흐르는 핵산을 포함하는 샘플 용액의 유속을 제어하기 위한 별도의 제어 장치가 요구된다.
따라서, 전체 구조가 단순하고, 전체 PCR 반응 시간을 최소화할 뿐만 아니라, 신뢰할 수 있는 PCR 반응 수율을 얻을 수 있는 PCR 장치의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열 블록 사이에서의 PCR 칩의 이동성을 개선한 핵산 증폭 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 핵산 증폭 장치가 제공된다. 상기 장치는, 이격 배치되는 복수의 열 블록; 샘플 용액이 주입되는 유입부; 상기 샘플 용액의 PCR 반응이 수행되는 반응 챔버; 및 상기 샘플 용액이 배출되는 유출부를 포함하고, 상기 복수의 열 블록과 순차적으로 접촉하면서 내부에 상기 샘플 용액의 PCR 반응이 수행되는 PCR 칩; 상기 PCR 칩이 장착되고, 상기 PCR 칩이 상기 복수의 열 블록과 순차적으로 접촉하도록 상기 PCR 칩을 이동시키는 칩 홀더; 및 상기 칩 홀더를 이동시키고, 상기 칩 홀더의 이동 방향을 가이드하는 구동부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 칩 홀더는, 상기 복수의 열 블록 사이에서 수평 이동하는 제 1 플레이트; 상기 PCR 칩이 탈착 가능하게 결합하는 제 2 플레이트; 및 상기 제 1 플레이트와 상기 제 2 플레이트를 상하 방향으로 연결하는 탄성 연결부를 포함하고, 상기 탄성 연결부는 상기 제 2 플레이트에 탄성력을 발생시켜, 상기 제 2 플레이트가 상하 방향으로 이동하면서 상기 복수의 열 블록과 순차적으로 접촉하게 할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 구동부는, 상기 제 1 플레이트를 수평 이동시키는 가동부; 및 상기 제 2 플레이트가 상하 이동하게 하는 경로를 제공하는 가이드부를 포함할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 가이드부는, 상기 제 2 플레이트의 연결 부재가 삽입되는 함몰 공간으로 구성되고, 상기 함몰 공간의 저면에 상기 연결 부재가 접촉하되, 상기 저면은 상기 열 블록 방향으로 갈수록 하측으로 굴곡 형성될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 가이드부의 상기 함몰 공간에서 상기 열 블록에 인접한 상기 저면은 상기 열 블록보다 낮게 위치하여, 상기 탄성 연결부가 상기 제 2 플레이트를 상기 열 블록 상에 하방 가압하게 할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 PCR 칩을 내부에 수용하고, 상기 제 2 플레이트에 삽입되는 PCR 칩 케이스를 더 포함하고, 상기 PCR 칩 케이스는, 결합 가능한 상판 및 하판으로 구성되고, 상기 상판 및 하판에는 상기 PCR 칩의 반응 챔버에 대응하는 개방 영역이 형성되며, 상기 상판 및 하면 중 적어도 하나의 내측면에는 상기 PCR 칩이 안착되는 수용 공간이 형성될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 유입부 및 상기 유출부를 밀폐하는 연성 재질의 밀폐부를 더 포함할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 밀폐부가 결합된 상기 PCR 칩이 상기 PCR 칩 케이스에 수용되는 경우, 상기 PCR 칩 케이스가 상기 밀폐부를 통해 상기 PCR 칩을 가압하여 상기 PCR 칩과 상기 열 블록 간의 접촉 시에 발생하는 응력에 의한 상기 PCR 칩의 변형을 방지할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 복수의 열 블록 사이에 배치되어 상기 PCR 칩을 향하여 광을 방출하는 광원; 및 상기 광원에 대향하여 배치되며, 상기 광원으로부터 방출되는 광을 검출하는 검출부를 더 포함할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 광원 상에 배치되고, 상기 광원으로부터 방출하는 광에서 서로 상이한 파장대의 광을 여과하는 복수의 광 필터; 및 상기 복수의 광 필터를 수평 이동시키면서, 상기 복수의 광 필터 중 하나를 상기 광원 상에 위치시키는 필터 구동부를 더 포함할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 복수의 열 블록 중 제 1 열 블록은 상기 PCR 반응의 변성 단계 온도를 유지하도록 구현되고, 상기 복수의 열 블록 중 제 2 열 블록은 상기 PCR 반응의 어닐링 및 연장 단계 온도를 유지하도록 구현될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 변성 단계 온도는 90℃ 내지 100℃이고, 상기 어닐링 및 연장 단계 온도는 55℃ 내지 75℃일 수 있다.
본 발명에 따르면, 2개의 열 블록을 포함하는 PCR 장치를 제공함으로써, 핵산 증폭 반응을 효율적으로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 구동부가 별도의 외력을 작용하지 않고도, 칩 홀더가 PCR 칩을 상하 방향으로 이동시킬 수 있다. 이를 통해 구동부가 칩 홀더를 수평 방향으로 이동시키는 동작만으로, 용이하게 PCR 칩이 열 블록과 접촉 또는 분리되면서 PCR 반응이 수행되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, PCR 칩에 대해 수평 운동과 수직 운동이 동시에 작용한다는 점에서, 더욱 자연스럽고 신속한 PCR 칩의 열 접촉 및 분리를 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 칩 홀더를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 가이드부를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 동작을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치를 도시한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩 패키지를 도시한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 실시예들을 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있다. 한편, 이하에서 기재되는 편의상 상하좌우의 방향은 도면을 기준으로 한 것이며, 해당 방향으로 본 발명의 권리범위가 반드시 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 열 블록을 구비한 핵산 증폭 장치를 도시한다.
핵산 증폭 장치(1000)는 특정 염기 서열을 갖는 핵산을 증폭하는 PCR(Polymerase Chain Reaction)에 사용하기 위한 장치이다. 예를 들어, 장치(1000)는 이중 가닥의 DNA를 포함하는 샘플 용액을 특정 온도, 예를 들어 약 95℃로 가열하여 상기 이중 가닥의 DNA를 단일 가닥의 DNA로 분리하는 변성 단계(denaturing step), 상기 샘플 용액에 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide) 프라이머를 제공하고, 상기 분리된 단일 가닥의 DNA와 함께 특정 온도, 예를 들어 55℃로 냉각하여 상기 단일 가닥의 DNA의 특정 염기 서열에 상기 프라이머를 결합시켜 부분적인 DNA-프라이머 복합체를 형성하는 어닐링 단계(annealing step), 및 상기 어닐링 단계 이후 상기 샘플 용액을 적정 온도, 예를 들어 72℃로 유지하여 DNA 중합효소(polymerase)에 의해 상기 부분적인 DNA-프라이머 복합체의 프라이머를 기초로 이중 가닥의 DNA를 형성하는 연장 (혹은 증폭) 단계(extension step)를 수행하고, 이와 같은 과정을 예를 들어, 20회 내지 40회로 반복함으로써 특정 염기 서열을 갖는 DNA를 기하급수적으로 증폭시킬 수 있다.
구체적으로, 장치(1000)는, 이격 배치되는 복수의 열 블록(110, 120); 샘플 용액의 PCR 반응이 수행되는 PCR 칩(400); 복수의 열 블록(110, 120)과 순차적으로 접촉하도록 PCR 칩(400)을 이동시키는 칩 홀더(200); 상기 칩 홀더(200)를 이동시키는 구동부(300); 및 PCR 칩(400)을 포함할 수 있다.
열 블록(110, 120)은, 제 1 열 블록(110) 및 제 2 열 블록(120)을 포함할 수 있다. 제 1 열 블록(110) 및 제 2 열 블록(120)은 핵산을 증폭하기 위한 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 온도를 유지하기 위한 것으로서, 제 1 열 블록(110) 및 제 2 열 블록(120)은 각 단계들에 요구되는 필요한 온도를 제공하고, 이를 유지하기 위한 다양한 모듈을 포함하거나 또는 그러한 모듈과 구동 가능하게 연결될 수 있다.
PCR 칩(400)이 장착된 칩 홀더(200)가 각 열 블록(110, 120)의 일 면에 접촉되는 경우, 제 1 열 블록(110) 및 제 2 열 블록(120)은 PCR 칩(400)과의 접촉면을 전체적으로 가열 및 온도 유지할 수 있어서, PCR 칩(400) 내의 샘플 용액을 균일하게 가열 및 온도 유지할 수 있다. 종래 단일 열 블록을 사용하는 장치는 단일 열 블록에서의 온도 변화율이 초당 3 내지 7℃ 범위 내에서 이루어지는데 반해, 본 발명에서는, 각각의 열 블록에서의 온도 변화율이 초당 20 내지 40℃ 범위 내에서 이루어져 PCR 반응 시간을 크게 단축시킬 수 있다.
제 1 열 블록(110) 및 제 2 열 블록(120)은 그 내부에 열선(도시되지 않음)이 배치될 수 있다. 열선은 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 온도를 유지하도록 다양한 열원과 구동 가능하게 연결될 수 있고, 열선의 온도를 모니터링하기 위한 다양한 온도 센서와 구동 가능하게 연결될 수 있다. 열선은 제 1 열 블록(110) 및 제 2 열 블록(120) 내부 온도를 전체적으로 일정하게 유지하기 위해 각각의 열 블록 면의 중심점을 기준으로 상하 및/또는 좌우 방향으로 대칭되도록 배치될 수 있다. 상하 및/또는 좌우 방향으로 대칭된 열선의 배치는 다양할 수 있다. 또한, 제 1 열 블록(110) 및 제 2 열 블록(120)은 그 내부에 박막 히터(thin film heater, 도시되지 않음)가 배치될 수도 있다. 박막 히터는 제 1 열 블록(110) 및 제 2 열 블록(120) 내부 온도를 전체적으로 일정하게 유지하기 위해 각각의 열 블록 면의 중심점을 기준으로 상하 및/또는 좌우 방향으로 일정한 간격으로 이격 배치될 수 있다. 상하 및/또는 좌우 방향으로 일정한 박막 히터의 배치는 다양할 수 있다.
제 1 열 블록(110) 및 제 2 열 블록(120)은 동일한 면적에 대한 고른 열 분포 및 신속한 열 전달을 위해 금속 재질, 예를 들어 알루미늄 재질을 포함하거나 또는 알루미늄 재질로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제 1 열 블록(110)은 변성 단계, 또는 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 적정 온도를 유지하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 제 1 열 블록(110)은 50℃ 내지 100℃를 유지할 수 있다. 제 1 열 블록(110)에서 변성 단계를 수행하는 경우, 바람직하게는 90℃ 내지 100℃를 유지할 수 있고, 더 바람직하게는 95℃를 유지할 수 있다. 이와 달리, 제 1 열 블록(110)에서 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하는 경우에는 바람직하게는, 55℃ 내지 75℃를 유지할 수 있고, 더 바람직하게는 72℃를 유지할 수 있다.
마찬가지로, 제 2 열 블록(120) 또한, 변성 단계, 또는 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 적정 온도를 유지하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 제 2 열 블록(120)은 50℃ 내지 100℃를 유지할 수 있다. 제 2 열 블록(120)에서 변성 단계를 수행하는 경우, 바람직하게는 90℃ 내지 100℃를 유지할 수 있고, 더 바람직하게는 95℃를 유지할 수 있다. 이와 달리, 제 2 열 블록(120)에서 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하는 경우에는 바람직하게는, 55℃ 내지 75℃를 유지할 수 있고, 더 바람직하게는 72℃를 유지할 수 있다.
다만, 제 1 열 블록(110) 및 제 2 열 블록(120)에서, 변성 단계, 또는 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행할 수 있는 온도라면 이에 제한되는 것은 아니며, 제 1 열 블록(110) 및 제 2 열 블록(120)은 서로 상이한 온도를 유지하도록 구현되는 것이 바람직하다.
제 1 열 블록(110)과 제 2 열 블록(120)은 상호 열 교환이 일어나지 않도록 미리 결정된 거리로 이격 배치될 수 있다. 이에 따라, 제 1 열 블록(110)과 제 2 열 블록(120) 사이에서 열 교환이 일어나지 않기 때문에, 미세한 온도 변화에 의해서도 중대한 영향을 받을 수 있는 핵산 증폭 반응에 있어서, 변성 단계와 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계의 정확한 온도 제어가 가능하다.
칩 홀더(200)는 PCR 칩(400)이 안정적으로 장착되는 공간을 제공하고, 구동부(300)에 의한 움직임을 PCR 칩(400)으로 전달할 수 있다. 칩 홀더(200)의 내벽은 핵산 증폭 반응이 수행되는 경우 PCR 칩(400)이 칩 홀더(200)로부터 이탈하지 않도록 PCR 칩(400)의 외벽과 고정 장착되기 위한 형상 및 구조를 가질 수 있다.
구동부(300)는 PCR 칩(400)이 장착된 칩 홀더(200)를 제 1 열 블록(110) 및 제 2 열 블록(120) 위로 이동 가능하게 하는 모든 수단을 포함할 수 있다. 구동부(300)는 수평 방향으로 연장된 레일 및 레일을 통해 칩 홀더(200)를 이동시키는 모터 부재로 이루어진 가동부를 포함할 수 있다. 이러한 구동부(300)의 수평 이동에 의해, PCR 칩(400)이 장착된 칩 홀더(200)는 제 1 열 블록(110)과 제 2 열 블록(120) 사이에서 왕복 운동할 수 있다.
또한, 구동부(300)의 수평 이동과 함께 또는 개별적으로 칩 홀더(200)는 PCR 칩(400)을 상하 이동시킴으로써 각 열 블록(110, 120)과 PCR 칩(400)을 접촉 및 분리시킬 수 있다. 이를 위해 구동부(300)는 칩 홀더(200)의 상하 운동을 위한 가이드부(310)를 포함할 수 있다.
PCR 칩(400)은 제 1 열 블록(110) 또는 제 2 열 블록(120)의 일 면에 접촉되고, 핵산, 예를 들어 이중 가닥 DNA, 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드 프라이머, DNA 중합효소, 삼인산화데옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotide triphosphates, dNTP), PCR 반응 완충액 (PCR reaction buffer)을 포함하는 샘플 용액을 포함할 수 있다. PCR 칩(400)은 샘플 용액이 주입되는 유입부, 샘플 용액의 핵산 증폭 반응이 수행되는 반응 챔버(또는 채널) 및 핵산 증폭 반응을 완료한 샘플 용액을 배출하기 위한 유출부를 포함할 수 있다. PCR 칩(400)이 제 1 열 블록(110) 또는 제 2 열 블록(120)에 접촉하는 경우 제 1 열 블록(110) 또는 제 2 열 블록(120)의 열은 PCR 칩(400)에 전달되고, PCR 칩(400)의 반응 챔버(또는 채널)에 포함된 샘플 용액은 가열 및 온도 유지될 수 있다. 또한, PCR 칩(400)은 전체적으로 평면 형상을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, PCR 칩(400)의 외벽은 핵산 증폭 반응이 수행되는 경우 PCR 칩(400)이 칩 홀더(200)로부터 이탈하지 않도록 칩 홀더(200)의 내부 공간에 고정 장착되기 위한 형상 및 구조를 가질 수 있다.
장치(1000)의 동작 과정을 살펴보면, 먼저, PCR 칩(400)에 핵산, 예를 들어 이중 가닥 DNA, 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드 프라이머, DNA 중합효소, 삼인산화데옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotide triphosphates, dNTP), PCR 반응 완충액(PCR reaction buffer)를 포함하는 샘플 용액을 도입하고, PCR 칩(400)을 칩 홀더(200)에 장착하는 단계를 수행할 수 있다.
그 후 또는 이와 동시에 제 1 열 블록(110)을 변성 단계를 위한 온도, 예를 들어, 90℃ 내지 100℃로 가열 및 유지하고, 바람직하게는 95℃로 가열 및 유지하는 단계를 수행할 수 있다. 제 2 열 블록(120)을 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 위한 온도, 예를 들어, 55℃ 내지 75℃로 가열 및 유지하고, 바람직하게는 72℃로 가열 및 유지하는 단계를 수행할 수 있다.
구동부(300)를 통해 칩 홀더(200)를 제 1 열 블록(110) 측으로 이동시키고, PCR 칩(400)이 제 1 열 블록(110)에 접촉시켜 PCR의 제 1 변성 단계를 수행할 수 있다.
그 후, 구동부(300)를 통해 칩 홀더(200)를 제 2 열 블록(120) 측으로 이동시키면서, PCR 칩(400)을 제 1 열 블록(110)으로부터 분리시켜 PCR의 제 1 변성 단계를 종료하고, PCR 칩(400)을 제 2 열 블록(120)에 접촉시켜 PCR의 제 1 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행할 수 있다.
마지막으로, 구동부(300)를 통해 칩 홀더(200)를 제 2 열 블록(120)으로부터 분리시켜 PCR의 제 1 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 종료함으로써 제 1 순환의 PCR 반응을 완료할 수 있다. 이러한 PCR 반응은 복수 회 수행될 수 있다.
이때, 구동부(300)가 제 1 열 블록(110) 또는 제 2 열 블록(120) 측으로 칩 홀더(200)를 이동시키는 경우, 칩 홀더(200)는 PCR 칩(400)을 하측으로 이동시켜, 각각의 열 블록(110, 120)과 PCR 칩(400)이 접촉하도록 하고, 이와 달리, 제 1 열 블록(110) 또는 제 2 열 블록(120) 측으로부터 중앙으로 칩 홀더(200)를 이동시키는 경우, 칩 홀더(200)가 PCR 칩(400)을 상측으로 이동시켜, 각각의 열 블록과 PCR 칩(400)이 분리되도록 할 수 있다.
즉, 본 발명에서는, 칩 홀더(200)가 PCR 칩(400)을 상하 방향으로 이동시킬 수 있다는 점에서, 구동부(300)가 PCR 칩(400)을 열 블록과 접촉 또는 분리하기 위해 PCR 칩(400) 및/또는 칩 홀더(200)를 상하 방향으로 이동시킬 필요 없으며, 따라서, 구동부(300)가 칩 홀더(200)를 수평 방향으로 이동시키는 동작만으로, 용이하게 PCR 칩(400)이 열 블록(110, 120)과 접촉 또는 분리되면서 PCR 반응이 수행되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 PCR 칩(400)에 대해 수평 운동과 수직 운동이 순차적으로/개별적으로 작용하는 것이 아니라, 동시에 작용한다는 점에서, 보다 자연스럽고 신속한 PCR 칩(400)의 열 접촉 및 분리를 가능하게 할 수 있다.
도 1에서는 칩 홀더(200)에 PCR 칩(400)이 장착되는 것으로 설명되나, 이는 예시적인 것으로서, 실시예에 따라, 칩 홀더(200)에는, 하기 설명되는 PCR 칩 패키지가 장착될 수도 있다. 도 1 및 하기 도 2 내지 도 7에서는 편의상 칩 홀더(200)에 PCR 칩(400)이 배치되는 것으로 기재되지만, 이는 PCR 칩(400) 단독으로 배치되거나, PCR 칩(400)이 PCR 칩 패키지 형태로 배치되는 것을 모두 포함하는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 칩 홀더를 도시한다.
칩 홀더(200)는, 제 1 플레이트(210); 제 2 플레이트(230); 및 탄성 연결부(250)를 포함할 수 있다.
제 1 플레이트(210)는, 평판 형상으로 이루어지고, 제 1 연결 부재(212)에 의해 구동부(300)와 연결되어, 구동부(300)에 의해 수평 방향으로 이동할 수 있다.
제 2 플레이트(230)는, 제 1 플레이트(210)와 상하 방향으로 연결될 수 있으며, 하부에 PCR 칩(400)이 장착되는 공간을 제공할 수 있다. 구체적으로, 제 2 플레이트(230)는 양 단부에 내측 방향으로 절곡부가 형성되어 PCR 칩(400) 또는 PCR 칩 패키지가 슬라이딩 결합되도록 할 수 있다.
또한, 제 2 플레이트(230)는 제 2 연결 부재(232)를 구동부(300), 특히 구동부(300)의 가이드부(310)와 연결될 수 있으며, 이를 통해 하기 더 상세히 설명할 바와 같이, 제 1 플레이트(210)의 수평 방향 운동 시에 상하 방향으로 운동할 수 있다.
또한, 제 1 플레이트(210) 및 제 2 플레이트(230)는 서로 대응하는 영역에 관통부(214, 234)가 형성될 수 있는데, 해당 영역은 PCR 칩(400)의 반응 챔버 또는 반응 채널에 대응하는 것으로서, 하기 더 상세히 설명할 바와 같이, PCR 칩(400)이 칩 홀더(200)에 장착된 상태로 PCR 반응 결과를 검출하기 위함이다.
탄성 연결부(250)는, 제 1 플레이트(210)와 제 2 플레이트(230)를 상하 방향으로 연결하기 위한 것으로서, 예를 들어, 스프링 등과 같은 탄성 부재로 이루어질 수 있다. 탄성 연결부(250)는 제 1 플레이트(210)의 수평 운동에 따라 제 2 플레이트(230)는 상하 방향으로 이동시키면서 복수의 열 블록(110, 120)과 순차적으로 접촉하게 할 수 있으며, 제 2 플레이트(230) 측으로 탄성력을 발생시켜 PCR 칩(400)이 열 블록(110, 120)에 보다 긴밀하게 접촉하도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 가이드부를 도시한다.
구동부(300)의 가이드부(310)는, 칩 홀더(200), 특히 칩 홀더(200)의 제 2 플레이트(230)를 상하 방향으로 운동하도록 하기 위한 것으로서, 수직 방향의 평판으로 구현되며, 일 측면에 함몰 공간(312)이 형성될 수 있다.
가이드부(310)의 상단에는 칩 홀더(200)의 제 1 플레이트(210)의 일 단부가 배치되도록 하여, 제 1 플레이트(210)를 지지할 수 있다
또한, 가이드부(310)의 함몰 공간(312)에는 제 2 플레이트(230)의 제 2 연결 부재(232)가 배치되도록 할 수 있다. 탄성 연결부(250)에서 제 2 플레이트(230)로 발생시키는 탄성력으로 인하여, 이때 제 2 연결 부재(232)는, 함몰 공간(312)의 저면(314)에 밀착될 수 있다.
이에 따르면, 구동부(300)에 의해 제 1 플레이트(210)가 수평 방향으로(도 3에서 좌우 방향으로) 이동하는 경우, 제 2 플레이트(230)의 제 2 연결 부재(232)는 함몰 공간(312)의 저면(314)를 따라 이동함으로써, 결과적으로 제 2 플레이트(230)가 상하 방향으로 이동하게 할 수 있다.
즉, 제 1 플레이트(210)가 양 측으로 이동하면, 제 2 플레이트(230)는 하측으로 이동하고, 제 1 플레이트(210)가 중앙으로 이동하면, 제 2 플레이트(230)는 상측으로 이동할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 동작을 도시한다.
도 4를 참조하면, 먼저 PCR 칩(400)이 배치된 칩 홀더(200)가 가이드부(310)의 중앙에 위치할 수 있다. 이때, 칩 홀더(200)의 제 1 플레이트(210)의 일 단부가 가이드부(310)의 상단에 배치되고, 제 2 플레이트(230)의 제 2 연결 부재(232)가 함몰 공간(312)의 중앙 저면(314)에 위치할 수 있다. PCR 칩(400)은 열 블록(110, 120)과 접촉하지 않는 중립 상태에 있을 수 있다.
구동부(300)를 통해 칩 홀더(200)(특히, 제 1 플레이트(210))를 제 1 열 블록(110) 측으로 이동시킬 수 있다. 칩 홀더(200)의 제 1 플레이트(210)의 일 단부가 가이드부(310)의 상단에서 좌측으로 이동하고, 제 2 플레이트(230)의 제 2 연결 부재(232) 또한 함몰 공간(312)의 저면(314)을 따라 좌측으로 이동한다. 이때, 탄성 연결부(250)의 탄성력에 의해 제 2 연결 부재(232)는 함몰 공간(312)의 저면(314)과 밀착하여 이동하며, 따라서, 제 2 플레이트(230) 전체가 하측으로 이동하면서 제 1 열 블록(110)과 접촉할 수 있다.
이후, 구동부(300)를 통해 칩 홀더(200)를 제 2 열 블록(120) 측으로 이동시킬 수 있다. 제 2 플레이트(230)의 제 2 연결 부재(232)는 함몰 공간(312)의 저면(314)에 밀착하여 이동하고, 따라서 제 1 플레이트(210)가 가이드부(310)의 상단을 따라 우측으로 이동할 때, 제 2 플레이트(230)는 상측으로 이동하여 중립 상태에 있다가, 하측으로 이동하면서 제 2 열 블록(120)과 접촉할 수 있다.
특히, 가이드부(310)에서 함몰 공간(312)의 저면(314) 중 열 블록(110, 120)에 인접한 영역은 열 블록(110, 120)보다 낮게 위치하여, 탄성 연결부(250)가 제 2 플레이트(230)를 열 블록(110, 120) 측으로 보다 견고하게 하방 가압하게 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치를 도시한다.
장치(1000')는, 광원(510), 검출부(520), 광 필터(530) 및 필터 구동부(540)를 포함할 수 있다.
광원(510)은 열 블록 사이에 위치하며, PCR 칩(400)을 향하여 광을 방출할 수 있다. 광원(510)은 수은 아크 램프(Mercury Arc Lamp), 크세논 아크 램프(Xenon Arc Lamp), 텅스텐 아크 램프(Tungsten Arc Lamp), 금속 할라이드 아크 램프(Metal Halide Arc Lamp), 금속 할라이드 광섬유(Metal Halide fiber), 및 LED(Light Emitting Diodes)로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 또한, 광원(510)의 파장은 약 200 나노미터(nm) 내지 1300 나노미터(nm) 범위 내에서 선택될 수 있고, 다중 광원(510)을 이용하거나, 필터를 이용하여 다중 파장으로 구현될 수 있다.
검출부(520)는, 광원(510)으로부터 방출된 광을 검출하기 위한 것으로서, CCD(Charge-coupled Device), CID(Chargeinjection Device), CMOS(Complementary-metal-oxide-semiconductor Detector), 및 PMT(Photo Multiplier Tube)로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
광원(510)은 열 블록(110, 120) 사이에 배치되고, 검출부(520)가 광원(510) 및 칩 홀더(200)의 상측에 배치될 수 있다. 또한, PCR 칩(400)이 배치되는 칩 홀더(200)에서는, 제 1 플레이트(210) 및 제 2 플레이트(230)에서 PCR 칩(400)의 반응 챔버 또는 반응 채널에 대응하는 영역에 관통부(214, 234)가 형성될 수 있다. 이를 통해, PCR 칩(400)이 제 1 열 블록(110)과 제 2 열 블록(120)을 왕복하면서 PCR 반응을 수행하는 중에(예를 들어, PCR 칩(400)이 도 4에서 도시되는 중립 상태일 때), PCR 반응을 실시간으로(real time) 측정 및 분석할 수 있다.
이 경우, PCR 칩(400)에 포함되는 샘플 용액에는 별도의 형광 물질이 더 첨가될 수 있고, 이는 PCR 산물의 생성에 따라 특정 파장의 광에 의해 발광함으로써 측정 및 분석 가능한 광 신호를 유발할 수 있다.
광 필터(530)는, 광원(510)의 상측에 배치되어, 광원(510)으로부터 방출되는 광에서 특정한 파장대의 광을 여과할 수 있다. 광 필터(530)는 복수 개로 구성되고, 각각은 서로 상이한 파장대의 광을 여구할 수 있다.
필터 구동부(540)는, 광 필터(530)와 결합되어, 광 필터(530)를 수평 이동시킬 수 있다. 이러한 수평 이동을 통해 복수의 광 필터(530) 중 하나가 광원(510) 상에 위치하도록 하여, 검출에 필요한 파장대의 광이 PCR 칩(400)을 향하여 방출되도록 할 수 있다. 예를 들어, 필터 구동부(540)는 수평 방향으로 연장된 레일 및 레일을 통해 광 필터(530)를 이동시키는 모터 부재로 이루어진 가동부를 포함할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩 패키지를 도시한다.
구체적으로, 도 6은 PCR 칩 패키지의 조립도를 도시하고, 도 7은 PCR 칩 패키지의 분해도를 도시한다.
PCR 칩 패키지는 PCR 칩(400)을 내부에 수용하고, 칩 홀더(200)에 삽입되어, 칩 홀더(200)와 함께 이동하면서 PCR 칩(400)을 보다 안정적이고 견고하게 열 블록(110, 120)에 접촉시킬 수 있다. 구체적으로, PCR 칩 패키지는 PCR 칩(400), PCR 칩 케이스(600) 및 밀폐부(700)를 포함할 수 있다.
PCR 칩(400)은, 핵산, 예를 들어 이중 가닥 DNA, 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드 프라이머, DNA 중합효소, 삼인산화데옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotide triphosphates, dNTP), PCR 반응 완충액 (PCR reaction buffer)를 포함하는 샘플 용액을 포함할 수 있다. PCR 칩(400)은 샘플 용액을 도입하기 위한 유입부, 핵산 증폭 반응을 완료한 샘플 용액을 배출하기 위한 유출부 및 증폭하고자 하는 핵산을 포함하는 샘플 용액이 수용된 하나 이상의 PCR 반응 챔버(또는 채널)를 포함할 수 있다. PCR 칩(400)은 광 투과성 재질로 구현될 수 있고, 바람직하게는 광 투과성 플라스틱 재질을 포함한다. PCR 칩(400)은 플라스틱 재질을 사용하여, 플라스틱 두께 조절만으로 열 전달 효율을 증대시킬 수 있고, 제작 공정이 단순하여 제조 비용을 절감할 수 있다.
PCR 칩 케이스(600)는, 상판(610) 및 하판(630)으로 구성되고, 상판(610) 및 하판(630) 간의 힌지 회동을 통해 열고 닫힐 수 있다. 열린 상태에서는 PCR 칩(400) 및/또는 밀폐부(700)가 PCR 칩 케이스(600) 내에 수용되거나 제거될 수 있으며, 닫힌 상태에서는, 내부의 PCR 칩(400) 및/또는 밀폐부(700)를 가압하여 안정적으로 배치시킬 수 있다. 또한, 결합 부재(650)를 통해 상판(610)과 하판(630)은 닫힌 상태로 유지될 수 있다.
PCR 칩 케이스(600) 내에 PCR 칩(400)이 수용되도록 상판(610) 및 하판(630) 중 하나의 내측면에는 PCR 칩(400)이 안착되는 수용 공간(612, 632)이 형성될 수 있다. 수용 공간(612, 632)은 밀폐부(700)와 결합된 PCR 칩(400)에 대응하거나 그보다 적은 크기로 형성될 수 있다. 따라서, PCR 칩 케이스(600)가 닫힐 때, 연질의 밀폐부(700)를 통해 PCR 칩(400)을 가압 고정시킬 수 있다. 이를 통해 PCR 칩(400)이 열 블록(110, 120)과 접촉 시에 발생하는 응력에 의한 PCR 칩(400)의 변형을 방지할 수 있다.
또한, PCR 칩(400)이 PCR 칩 케이스(600) 또는 칩 홀더(200)에 배치된 상태에서 PCR 반응의 관찰이 가능하도록, 상판(610) 및 하판(630)에는 PCR 칩(400)의 반응 챔버에 대응하는 개방 영역(614, 634)이 형성될 수 있다.
PCR 칩(400)은 하판(630)의 개방 영역(634)을 통해 열 블록(110, 120)과 긴밀하게 열 접촉할 수 있다. PCR 칩(400)이 열 블록(110, 120)과 접촉하는 경우, PCR 칩(400)을 향하여 발생하는 응력을 방지하기 위해 상판(610)의 개방 영역(614)에는 PCR 칩(400)과 접하는 적어도 하나의 지지부(616)가 형성될 수 있다.
밀폐부(700)는, PCR 칩(400)의 유입부 및 유출부를 밀폐할 수 있다. 이를 위해 밀폐부(700)는 고무 등의 연성 재질로 이루어져, 신축성과 탄성을 가질 수 있다. 구체적으로, 밀폐부(700)는, 평판 형상의 덮개부(710)와 덮개부(710)에서 형성되는 복수의 돌출부(730)로 이루어질 수 있으며, 각 돌출부(730)는 PCR 칩(400)의 유입부 및 유출부에 삽입되어 PCR 칩(400)을 밀폐할 수 있다.
또한, 밀폐부(700)는 PCR 칩(400)과 보다 견고하게 밀착하기 위해 서로 대응하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, PCR 칩(400)은 유입부 및 유출부를 둘러싸는 돌출 영역이 형성될 수 있고, 밀폐부(700)에는 PCR 칩(400)의 돌출 영역이 밀착 수용되는 수용 영역(750)이 함몰 형성될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1000, 1000': 핵산 증폭 장치 110: 제 1 열 블록
120: 제 2 열 블록 200: 칩 홀더
210: 제 1 플레이트 212: 제 1 연결 부재
214: 관통부 230: 제 2 플레이트
232: 제 2 연결 부재 234: 관통부
250: 탄성 연결부 300: 구동부
310: 가이드부 312: 함몰 공간
314: 저면 400: PCR 칩
510: 광원 520: 검출부
530: 광 필터 540: 필터 구동부
600: PCR 칩 케이스 610: 상판
612: 수용 공간 614: 개방 영역
616: 지지부 630: 하판
632: 수용 공간 634: 개방 영역
650: 결합 부재 700: 밀폐부
710: 덮개부 730: 돌출부
750: 수용 영역

Claims (12)

  1. 핵산 증폭 장치로서,
    이격 배치되는 복수의 열 블록;
    샘플 용액이 주입되는 유입부; 상기 샘플 용액의 PCR 반응이 수행되는 반응 챔버; 및 상기 샘플 용액이 배출되는 유출부를 포함하고, 상기 복수의 열 블록과 순차적으로 접촉하면서 내부에 상기 샘플 용액의 PCR 반응이 수행되는 PCR 칩;
    상기 PCR 칩이 장착되고, 상기 PCR 칩이 상기 복수의 열 블록과 순차적으로 접촉하도록 상기 PCR 칩을 이동시키는 칩 홀더; 및
    상기 칩 홀더를 이동시키고, 상기 칩 홀더의 이동 방향을 가이드하는 구동부;
    를 포함하는 핵산 증폭 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 칩 홀더는, 상기 복수의 열 블록 사이에서 수평 이동하는 제 1 플레이트; 상기 PCR 칩이 탈착 가능하게 결합하는 제 2 플레이트; 및 상기 제 1 플레이트와 상기 제 2 플레이트를 상하 방향으로 연결하는 탄성 연결부를 포함하고,
    상기 탄성 연결부는 상기 제 2 플레이트에 탄성력을 발생시켜, 상기 제 2 플레이트가 상하 방향으로 이동하면서 상기 복수의 열 블록과 순차적으로 접촉하게 하는, 핵산 증폭 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 제 1 플레이트를 수평 이동시키는 가동부; 및 상기 제 2 플레이트가 상하 이동하게 하는 경로를 제공하는 가이드부를 포함하는, 핵산 증폭 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가이드부는, 상기 제 2 플레이트의 연결 부재가 삽입되는 함몰 공간으로 구성되고, 상기 함몰 공간의 저면에 상기 연결 부재가 접촉하되, 상기 저면은 상기 열 블록 방향으로 갈수록 하측으로 굴곡 형성되는, 핵산 증폭 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가이드부의 상기 함몰 공간에서 상기 열 블록에 인접한 상기 저면은 상기 열 블록보다 낮게 위치하여, 상기 탄성 연결부가 상기 제 2 플레이트를 상기 열 블록 상에 하방 가압하게 하는, 핵산 증폭 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 PCR 칩을 내부에 수용하고, 상기 제 2 플레이트에 삽입되는 PCR 칩 케이스를 더 포함하고,
    상기 PCR 칩 케이스는, 결합 가능한 상판 및 하판으로 구성되고, 상기 상판 및 하판에는 상기 PCR 칩의 반응 챔버에 대응하는 개방 영역이 형성되며, 상기 상판 및 하면 중 적어도 하나의 내측면에는 상기 PCR 칩이 안착되는 수용 공간이 형성되는, 핵산 증폭 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유입부 및 상기 유출부를 밀폐하는 연성 재질의 밀폐부를 더 포함하는, 핵산 증폭 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 밀폐부가 결합된 상기 PCR 칩이 상기 PCR 칩 케이스에 수용되는 경우, 상기 PCR 칩 케이스가 상기 밀폐부를 통해 상기 PCR 칩을 가압하여 상기 PCR 칩과 상기 열 블록 간의 접촉 시에 발생하는 응력에 의한 상기 PCR 칩의 변형을 방지하는, 핵산 증폭 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 열 블록 사이에 배치되어 상기 PCR 칩을 향하여 광을 방출하는 광원; 및
    상기 광원에 대향하여 배치되며, 상기 광원으로부터 방출되는 광을 검출하는 검출부를 더 포함하는, 핵산 증폭 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광원 상에 배치되고, 상기 광원으로부터 방출하는 광에서 서로 상이한 파장대의 광을 여과하는 복수의 광 필터; 및
    상기 복수의 광 필터를 수평 이동시키면서, 상기 복수의 광 필터 중 하나를 상기 광원 상에 위치시키는 필터 구동부를 더 포함하는, 핵산 증폭 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 열 블록 중 제 1 열 블록은 상기 PCR 반응의 변성 단계 온도를 유지하도록 구현되고, 상기 복수의 열 블록 중 제 2 열 블록은 상기 PCR 반응의 어닐링 및 연장 단계 온도를 유지하도록 구현되는, 핵산 증폭 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 변성 단계 온도는 90℃ 내지 100℃이고, 상기 어닐링 및 연장 단계 온도는 55℃ 내지 75℃인, 핵산 증폭 장치.
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